JP2016111309A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】基部を複数に分割しても、剛性低下を抑制することができる熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】熱電変換モジュール１は、複数の低温側基部６と、複数の第１電極３と、複数の熱電変換素子２と、複数の第２電極４と、Ｘ軸接続部７と、Ｙ軸接続部８とを備える。第２電極４は、低温側基部６に６個ずつ配置される。隣接する低温側基部６の間には、基部間接続部としてＸ軸接続部７又はＹ軸接続部８ａ，８ｂが２個配置される。複数の基部間接続部の一方は、一方の低温側基部６上に位置する一方の第１電極３から他方の低温側基部６上に位置する他方の第２電極４に接続されるものであり、他方の基部間接続部は、他方の低温側基部６上に位置する他方の第１電極３から一方の低温側基部６上に位置する一方の第２電極４に接続される。【選択図】図２

Description

本発明は、ゼーベック効果を用いて発電を行ったり、又は、ペルチェ効果を用いて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールに関する。

従来、両端部に電極を夫々有する複数の熱電変換素子を、基部上に配置した熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の熱電変換モジュールは、ｎ形の熱電変換素子とｐ形の熱電変換素子との２種類の熱電変換素子を交互に配置して電気的に直列に接続した所謂π型の熱電変換モジュールで構成される。

特許文献１の熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールの高温側を、断熱材で覆われた抵抗加熱炉内の加熱室に対して非接触とされ、熱電変換モジュールの高温側では、加熱室からの放射伝熱を受ける構造としている。従って、特許文献１の熱電変換モジュールでは、高温側の絶縁体としての基部が省略されている。なお、熱電変換モジュールの高温側を抵抗加熱炉内の加熱室に接触させる場合には、絶縁体で構成される基部を設けることとなる。

また、ｎ形又はｐ形の何れか一方の熱電変換素子の１種類だけで構成される所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２の熱電変換モジュールは、熱電変換素子の一方の電極と、隣接する熱電変換素子の他方の電極とを一体的に且つ電気的に直列に接続する接続部を有しており、２つの電極と接続部とによりＵ字状のコネクタを構成している。このＵ字状のコネクタは金属板を折り曲げて形成されている。熱電変換モジュールを製造するときには、このＵ字状のコネクタを基部に予め複数固定させておく。そして、熱電変換素子は、このＵ字状のコネクタに横から押し込まれるようにして２つの電極の間に挿入され、コネクタと接続される。

特許第４８３４９８６号公報 特開２００９−１７６９１９号公報

熱電変換素子は熱によって膨張する。また、基部や電極、熱電変換素子、夫々の熱膨張係数が異なるため、熱電変換モジュールの製造時に基部に反りが生じる場合があり、基部が反ったままの状態で熱電変換モジュールを被取付部材に取り付けようとすると、熱電変換素子へ意図しない応力が加わったり、伝熱効率の低下が生じる虞がある。

また、熱電変換モジュールの使用時には、基部や電極、熱電変換素子が温度変化による膨張、収縮を繰り返すことにより部品間の接合部分が剥離する虞もある。このため、熱電変換素子の熱膨張に対応し易くするために、又は基部の反り量を低減するために、電極を配置する基部を複数に分割することが考えられる。

しかしながら、基部を複数に分割すると熱電変換モジュールの剛性が低下するという問題がある。特に、ｎ形又はｐ形の何れか一方の熱電変換素子の１種類だけで構成される所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールにおいては、１つの接続部で隣接する基部の間を接続することとなる場合も考えられ、熱電変換モジュールの剛性低下の問題が顕著となる。

本発明は、以上の点に鑑み、基部を複数に分割しても、剛性低下を抑制することができる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
複数の基部と、
複数の第１電極と、
一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、
該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極と、
前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第１電極を、隣接する前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第２電極に、電気的に接続する接続部とを備える熱電変換モジュールであって、
前記第１電極または前記第２電極は、前記基部に夫々複数個ずつ配置され、
隣接する前記基部の間には、前記接続部が複数配置され、
隣接する前記基部の間に位置する接続部を基部間接続部と定義して、
前記基部間接続部は、隣接する前記基部の間に複数設けられ、
複数の前記基部間接続部のうち何れか１つは、一方の基部上に位置する一方の前記第１電極から他方の基部上に位置する他方の前記第２電極に接続されるものであり、何れか１つは他方の基部上に位置する他方の前記第１電極から一方の基部上に位置する一方の前記第２電極に接続されるものであることを特徴とする。

本発明によれば、隣接する基部同士の間で複数の基部間接続部が配置されるため、基部の間の剛性が増加し、熱膨張を許容すべく複数の基部を備えた熱電変換モジュールの剛性低下（１つの基部で構成されたものと比較した場合の剛性低下）を抑制することができる。

また、本発明においては、前記基部は、複数の辺を備え、前記基部には、前記複数の辺の少なくとも２以上の辺で隣接する他の基部が配置され、前記基部は、複数の辺のうちの２つ以上の辺で前記基部間接続部により複数個所で夫々接続されることが好ましい。

本発明によれば、２辺以上で隣接する基部上に位置する複数の第１電極と複数の第２電極とが複数の基部間接続部で夫々接続されるため、１辺のみで接続されている場合と比較して、熱電変換モジュールの剛性低下を更に抑制することができる。

また、本発明においては、前記基部に沿うと共に互いに直交する２つの軸線をＸ軸及びＹ軸として、前記接続部は、Ｘ軸方向で隣接する前記熱電変換素子の一方に電気的に接続する前記第１電極とＸ軸方向で隣接する前記熱電変換素子の他方に電気的に接続する前記第２電極とをＸ軸方向間で接続するＸ軸接続部と、Ｙ軸方向で隣接する前記熱電変換素子の一方に電気的に接続する前記第１電極とＹ軸方向で隣接する前記熱電変換素子の他方に電気的に接続する前記第２電極とをＹ軸方向間で接続するＹ軸接続部とを備え、前記Ｘ軸接続部は、Ｘ軸方向に隣接する前記熱電変換素子の間に配置され、前記Ｙ軸接続部は、Ｙ軸方向に隣接する前記熱電変換素子のＸ軸方向側の端部で前記第１電極と前記第２電極とが接続されることが好ましい。

本発明によれば、Ｙ軸方向間を接続するＹ軸接続部がＹ軸方向で隣接する熱電変換素子の間に位置しておらず、単位面積当たりの熱電変換素子の密度を向上させることができ、熱電変換モジュールの単位面積当たりの出力を向上させることができる。

また、本発明においては、前記基部を低温側に配置される低温側基部とし、高温側に、熱電変換素子ごとに１個ずつ高温側基部を設けることができる。

かかる構成によれば、比較的熱膨張し易い高温側に配置される高温側基部は熱電変換素子ごとに１個ずつ設けられるため、熱電変換モジュールの熱膨張への耐性を更に向上できる。また、比較的熱膨張し難い低温側に配置される各低温側基部には、複数の熱電変換素子が第１電極又は第２電極を介して夫々配置されるため、低温側基部を熱電変換素子ごとに１個ずつ設けた場合と比較して、熱電変換モジュールの剛性を高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールにおいては、全ての熱電変換素子をｎ形とｐ形との何れか一方で構成し、全ての熱電変換素子を電気的に直列に接続して構成することができる。

本発明の熱電変換モジュールの実施形態を示す斜視図。 本実施形態の熱電変換モジュールを分解して示す斜視図。 本実施形態のＸ軸接続部を示す斜視図。 本実施形態のＹ軸接続部を示す斜視図。 本実施形態の熱電変換モジュールの熱電変換素子と、基部とを省略して、第１電極、第２電極、接続部を示した斜視図。 本実施形態の熱電変換モジュールの電流の流れを示す平面図。 本実施形態の熱電変換素子を電流の流れる順に示す模式図。 本発明の他の実施形態の熱電変換モジュールを示す模式図。 本発明の他の実施形態の熱電変換モジュールを示す模式図。

図１から図７を参照して、本発明の熱電変換モジュールの実施形態を説明する。図１に示す実施形態の熱電変換モジュール１は、複数（図１では３６個）のｎ形の熱電変換素子２が電気的に直列に接続された所謂ユニレグ型のものである。

熱電変換素子２は、Ｍｇ_２Ｓｉ製であり、四角柱状に形成される。尚、本発明の熱電変換素子２は四角柱状に限られず、他の形状であってもよい。例えば、円柱状、円錐台形状、三角柱状などの他の多角柱状であってもよい。熱電変換素子の材料としては、従来、人体への有害性（有害化が危惧されるものを含む）を有するものが多く、また、高価である。これに対し、Ｍｇ_２Ｓｉは、人体に無害であり環境負荷が小さく、また、資源が豊富であり安価である。また、Ｍｇ_２Ｓｉは、比重が軽いため、非常に軽い熱電変換素子２を作製することができる。このため、近年、熱電変換素子の材料として、Ｍｇ_２Ｓｉが注目されている。

熱電変換素子２の上端には、第１電極３が接合される。これにより、熱電変換素子２と第１電極３とが電気的に接続される。熱電変換素子２の下端には、第２電極４が接合される。これにより、熱電変換素子２と第２電極４とが電気的に接続される。

第１電極３及び第２電極４は、ニッケル（Ｎｉ）でめっきした銅（Ｃｕ）で形成されている。熱電変換素子２には、第１電極３及び第２電極４と接触させる部分に位置させて、接合用のろう材がスクリーン印刷などでプリントされている。なお、ろう材は、第１電極３及び第２電極４に設けてもよく、例えば、ニッケル板の表面にろう材をスクリーン印刷などでプリントした後、第１電極３及び第２電極４の形状に打ち抜いて形成してもよい。

このように構成される第１電極３及び第２電極４を用いることにより、第１電極３又は第２電極４ごとに、ろう材のプリントを行う必要がなくなり、ろう材の印刷回数を減らして製造工程の簡略化を図ることができる。

また、電極３，４は、ニッケル（Ｎｉ）でめっきした銅（Ｃｕ）に限らず、他の材料のもの、例えば、ニッケル（Ｎｉ）だけで構成してもよい。また、接合方法としては、半田付、ろう付等のろう接、或いは銀ペースト等の導電性接着剤による接着、拡散接合を用いることもでき、熱電変換モジュールの用途等に応じて適宜選択して接合する。

本実施形態では、ろう（半田）を熱電変換素子２の両端部に予めスクリーン印刷等でプリントしている。なお、ろう（半田）に代えて銀ペーストを用いてもよい。熱電変換素子２の表面は細かい凹凸を有する面となっているが、ろう（半田）や銀ペースト等で表面の凹凸を覆うことにより平滑な面とすることができ、これにより、熱電変換素子２と電極３，４との接合状態が良好となり、優れた導電性を確保できる。また、熱電変換素子２を作製する際に、熱電変換素子２の両端（上下端。ろう（半田）と熱電変換素子２との間の位置）にニッケル等の接合層を形成させて、熱電変換素子２と電極３，４との接合を容易としてもよい。また、予め表面（両面又は片面）にろう材層を備える板状の部材を電極３，４として用いてもよい。

熱電変換モジュール１は、矩形板状（正方形状）の高温側基部５を３６個（熱電変換素子２の数と同数）、矩形板状（長方形板状）の低温側基部６を６個、備えている。

ここで、低温側基部６の長手方向をＸ軸の方向、Ｘ軸に直交する方向をＹ軸の方向と定義する。また、本実施形態の熱電変換モジュール１では、下方を低温側、上方を高温側として用いるものとして説明する。

低温側基部６は、Ｘ軸方向に２個、Ｙ軸方向に３個、互いに間隔を存して配置される。低温側基部６同士の間の間隔は、熱電変換モジュール１の低温側の熱膨張及び組付け時の位置決めに必要な隙間を考慮して設定される。高温側基部５及び低温側基部６は、酸化アルミニウムで成形された絶縁性を有する板状体で構成される。尚、高温側基部５及び低温側基部６は、酸化アルミニウムに限らず、他の材料で成形してもよい。

１個の低温側基部６の上には、Ｘ軸方向に３個、Ｙ軸方向に２個の合計６個の第２電極４が固定される。

熱電変換モジュール１の上方には、第１電極３ごとに正方形状の高温側基部５が設けられている。高温側基部５を第１電極３毎に設けたのは、高温側の方が熱膨張し易いためである。高温側基部５同士の間の間隔は、熱電変換モジュール１の高温側の熱膨張及び組付け時の位置決めに必要な隙間を考慮して設定される。

なお、熱膨張への耐性が若干低下するものの、高温側基部５も低温側基部６と同様に矩形板状（長方形状）に構成して、６個の第１電極３を配置してもよい。このように高温側基部に剛性を持たせるときには、熱電変換モジュール１の低温側を接触させるものが絶縁されている場合、または熱電変換モジュール１の低温側を接触させることなく放熱（冷却）できるように構成する場合には、低温側基部は無くてもよい。但し、熱電変換モジュール１の低温側を金属のような導電性の外装を有するものに対して接触させて用いるときは短絡防止等の理由から、低温側基部６が必要である。この場合の低温側基部は、熱電変換素子ごとに分割された基部とすることも可能である。

また、高温側基部５、低温側基部６の材質は、接触させるものに応じて適宜変更してもよい。例えば、高温側基部を可撓性を備える絶縁性の熱伝導シートで構成してもよい。

図１に示すようにＸ方向とＹ方向を定義する。本実施形態の熱電変換モジュール１は、Ｘ方向に６個の熱電変換素子２が並び、Ｙ方向に６個の熱電変換素子２が並ぶ、合計３６個の熱電変換素子２で１つの熱電変換モジュール１が構成される。

図２は上方に位置する高温側基部５と下方に位置する低温側基部６とを電極３，４から分離させた状態で熱電変換モジュール１を示したものである。

図３は、第１電極３と、第１電極３が設けられた熱電変換素子２にＸ軸方向で隣接する熱電変換素子２に設けられた第２電極４とを接続するＸ軸接続部７を示している。Ｘ軸接続部７は、第１電極３及び第２電極４と一体に構成される。第１電極３、第２電極４及びＸ軸接続部７は、一枚の板を打ち抜いた後にクランク状に折り曲げて形成される。

図４は、第１電極３と、第１電極３が設けられた熱電変換素子２にＹ軸方向で隣接する熱電変換素子２に設けられた第２電極４とを接続するＹ軸接続部８ａ，８ｂを示している。Ｙ軸接続部８ａ，８ｂは、第１電極３及び第２電極４と一体に構成される。第１電極３、第２電極４及びＹ軸接続部８ａ，８ｂは、一枚の板を打ち抜いた後にクランク状に折り曲げて形成される。

なお、Ｙ軸接続部８ａは、Ｙ軸接続部８ａが第１電極３のＸ軸方向一方（手前。図４の左下方向。）に位置しているときに、第１電極３と、この第１電極３と電気的に接続される熱電変換素子２とＹ軸方向の一方（右。図４の右下方向。）で隣接する熱電変換素子２に電気的に接続される第２電極４と、を接続するものである。

これに対し、Ｙ軸接続部８ｂは、Ｙ軸接続部８ｂが第１電極３のＸ軸方向一方（手前。図４の左下方向。）に位置しているときに、第１電極３と、この第１電極３と電気的に接続される熱電変換素子２とＹ軸方向の他方（左。図４の左上方向。）で隣接する熱電変換素子２に電気的に接続される第２電極４と、を接続するものである。

図５は、熱電変換素子２と高温側基部５、低温側基部６を省略して、第１電極３、第２電極４、Ｘ軸接続部７、Ｙ軸接続部８ａ，８ｂを示したものである。図６は、実施形態の熱電変換モジュール１の電流の流れを示したものである。図６で破線で囲った部分は、低温側基部６の間を接続するＸ軸接続部７又はＹ軸接続部８ａ，８ｂを示したものである。

図７は端子間で電流の流れる順に熱電変換素子２を第１熱電変換素子Ｔ１から第３６熱電変換素子Ｔ３６で示している。図２を参照して、手前（図２の左下側）の中央に位置する低温側基部６上に配置される６つの熱電変換素子２の最も手前に位置する２つの熱電変換素子２（第１熱電変換素子Ｔ１及び第３６熱電変換素子Ｔ３６）には、第１端子９と第２端子１０とが設けられている。

具体的には、第１熱電変換素子Ｔ１の下端に電気的に接続される第２電極４に、第１端子９が設けられている。第１端子９は、第２電極４の手前（図２の左下側）の端縁から上方に屈曲し、第１熱電変換素子Ｔ１の上下方向中央付近で手前（図２の左下側）へ屈曲してクランク形状となっている。

第２端子１０は、第３６熱電変換素子Ｔ３６の上端に電気的に接続される第１電極３に設けられている。第２端子１０は、第１電極３の手前（図２の左下側）の端縁から下方に屈曲し、第３６熱電変換素子Ｔ３６の上下方向中央付近で手前（図２の左下側）へ屈曲してクランク形状となっている。

第１熱電変換素子Ｔ１の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２熱電変換素子Ｔ２の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＹ軸接続部８ａが基部間接続部の１つである。第２熱電変換素子Ｔ２の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第３熱電変換素子Ｔ３の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第３熱電変換素子Ｔ３の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第４熱電変換素子Ｔ４の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

同様にして、第４〜第７熱電変換素子Ｔ４〜Ｔ７の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第５〜第８熱電変換素子Ｔ５〜Ｔ８の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。第５熱電変換素子Ｔ５と第６熱電変換素子Ｔ６との間に位置するＸ軸接続部７は、基部間接続部の１つである。

図５及び図７を参照して、第８熱電変換素子Ｔ８の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第９熱電変換素子Ｔ９の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第９熱電変換素子Ｔ９の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１０熱電変換素子Ｔ１０の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＹ軸接続部８ａが基部間接続部の１つである。

第１０熱電変換素子Ｔ１０の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１１熱電変換素子Ｔ１１の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。なお、本実施形態においては、Ｘ軸接続部７は、第１電極３から接続される第２電極４側を見たときに右側に位置するように設けられている。

第１１熱電変換素子Ｔ１１の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ｂを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１２熱電変換素子Ｔ１２の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＹ軸接続部８ｂが基部間接続部の１つである。

また、Ｙ軸接続部８ｂは、第１電極３から接続される第２電極４側を見たときに、各電極３，４の左側の側縁同士を接続し、かつ側縁同士の互いに接近する部分同士を接続している。このため、各電極３，４の左側の側縁同士の互いに離隔した部分にスペースを設けることができ、このスペースに第１０熱電変換素子Ｔ１０と第１１熱電変換素子Ｔ１１との間に位置するＸ軸接続部７を配置することができる。これにより、Ｙ軸接続部８ｂと、第１０熱電変換素子Ｔ１０と第１１熱電変換素子Ｔ１１との間に位置するＸ軸接続部７とが接触することを防止し、かつ、隣接する熱電変換素子２のＸ軸方向の間隔を広げることなく、第１１熱電変換素子Ｔ１１と第１２熱電変換素子Ｔ１２との間のＹ軸接続部８ｂを配置することができる。

第１２熱電変換素子Ｔ１２の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１３熱電変換素子Ｔ１３の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第１３熱電変換素子Ｔ１３の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１４熱電変換素子Ｔ１４の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＸ軸接続部７が基部間接続部の１つである。

第１４熱電変換素子Ｔ１４の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１５熱電変換素子Ｔ１５の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第１５熱電変換素子Ｔ１５の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ｂを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１６熱電変換素子Ｔ１６の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＹ軸接続部８ｂが基部間接続部の１つである。

第１６熱電変換素子Ｔ１６の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１７熱電変換素子Ｔ１７の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第１７熱電変換素子Ｔ１７の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１８熱電変換素子Ｔ１８の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＸ軸接続部７が基部間接続部の１つである。

第１８熱電変換素子Ｔ１８の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１９熱電変換素子Ｔ１９の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第１９熱電変換素子Ｔ１９の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２０熱電変換素子Ｔ２０の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＸ軸接続部７が基部間接続部の１つである。

第２０熱電変換素子Ｔ２０の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２１熱電変換素子Ｔ２１の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第２１熱電変換素子Ｔ２１の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ｂを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２２熱電変換素子Ｔ２２の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＹ軸接続部８ｂが基部間接続部の１つである。

第２２〜第２４熱電変換素子Ｔ２２〜Ｔ２４の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２３〜第２５熱電変換素子Ｔ２３〜Ｔ２５の下端に電気的に接続される第２電極４と夫々接続されている。第２３熱電変換素子Ｔ２３と第２４熱電変換素子Ｔ２４との間に位置するＸ軸接続部７が基部間接続部の１つである。

第２５熱電変換素子Ｔ２５の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ｂを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２６熱電変換素子Ｔ２６の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＹ軸接続部８ｂが基部間接続部の１つである。

第２６熱電変換素子Ｔ２６の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２７熱電変換素子Ｔ２７の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

また、第２５熱電変換素子Ｔ２５と第２６熱電変換素子Ｔ２６との間に位置するＹ軸接続部８ｂは、第１電極３から接続される第２電極４側を見たときに、各電極３，４の左側の側縁同士を接続し、かつ側縁同士の互いに接近する部分同士を接続している。このため、各電極３，４の左側の側縁同士の互いに離隔した部分にスペースを設けることができ、このスペースに第２６熱電変換素子Ｔ２６と第２７熱電変換素子Ｔ２７との間に位置するＸ軸接続部７を配置することができる。これにより、Ｙ軸接続部８ｂと、第２６熱電変換素子Ｔ２６と第２７熱電変換素子Ｔ２７との間に位置するＸ軸接続部７とが接触することを防止し、かつ、隣接する熱電変換素子２のＸ軸方向の間隔を広げることなく、第２５熱電変換素子Ｔ２５と第２６熱電変換素子Ｔ２６との間のＹ軸接続部８ｂを配置することができる。

第２７熱電変換素子Ｔ２７の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２８熱電変換素子Ｔ２８の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＹ軸接続部８ａが基部間接続部の１つである。

第２８熱電変換素子Ｔ２８の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第２９熱電変換素子Ｔ２９の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第２９〜第３３熱電変換素子Ｔ２９〜Ｔ３３の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｘ軸接続部７を介してＸ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第３０〜第３４熱電変換素子Ｔ３０〜Ｔ３４の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。第３１熱電変換素子Ｔ３１と第３２熱電変換素子Ｔ３２との間に位置するＸ軸接続部７が基部間接続部の１つである。

第３４熱電変換素子Ｔ３４の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第３５熱電変換素子Ｔ３５の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。

第３５熱電変換素子Ｔ３５の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第３６熱電変換素子Ｔ３６の下端に電気的に接続される第２電極４と接続されている。このＹ軸接続部８ａが基部間接続部の１つである。

次に、本実施形態の熱電変換モジュール１の作動について説明する。熱電変換モジュール１の上側の高温側基部５を例えば３００℃から６００℃の熱源に取付け、下側の低温側基部６を冷却させると、熱電変換素子２の両端で温度差が生じ、ゼーベック効果により起電圧が発生し、第１端子９及び第２端子１０を外部負荷に接続し回路としたときに、電流が流れて発電する。このとき、発電し続ける為には、熱電変換素子２の両端で所定の温度差が維持され続ける必要があるが、本実施形態では、熱電変換素子２の材料として熱伝導率の小さいＭｇ_２Ｓｉを用いているため、温度差を良好に維持することができる。

本実施形態の熱電変換モジュール１によれば、隣接する低温側基部６同士の間に位置する２つの基部間接続部のうちの一方は、一方の低温側基部６上に位置する一方の第１電極３から他方の低温側基部６上に位置する他方の第２電極４に接続される。反対に、他方の基部間接続部は、他方の低温側基部６上に位置する他方の第１電極３から一方の低温側基部６上に位置する一方の第２電極４に接続される。

例えば、Ｘ軸方向に隣接する低温側基部６同士の間に配置されるＸ軸接続部７は、図３に示すように、Ｙ軸方向から見て、Ｘ軸接続部７同士が交差するような関係となる。

また、Ｙ軸方向に隣接する低温側基部６同士の間に配置されるＹ軸接続部８ａ，８ｂは、図４に示すように、Ｘ軸方向から見て、Ｙ軸接続部８ａ，８ｂ同士が交差するような関係となる。

従って、本実施形態の熱電変換モジュール１によれば、隣接する低温側基部６同士の間で複数（２個）の基部間接続部が配置され、且つ基部間接続部が交差したような状態となるため、低温側基部６の間の連結剛性が増加し、熱膨張を許容すべく複数（６個）の低温側基部を備えた熱電変換モジュール１の剛性低下（１つの基部で構成されたものと比較した場合の剛性低下）を抑制することができる。

また、本実施形態の熱電変換モジュール１においては、低温側基部６は、４つの辺を備える長方形状に形成されている。そして、６個の低温側基部６は、Ｘ軸方向に２個、Ｙ軸方向に３個並べられており、低温側基部６には、少なくとも２以上の辺で隣接する他の低温側基部６が配置されている。そして、低温側基部６は、４つの辺のうちの２つ以上の辺で基部間接続部により２個所ずつ接続されている。

従って、本実施形態の熱電変換モジュール１によれば、１辺のみで接続されている場合と比較して、熱電変換モジュールの剛性低下を更に抑制することができる。

また、本実施形態の熱電変換モジュール１においては、Ｘ軸接続部７は、Ｘ軸方向に隣接する熱電変換素子２の間に配置され、Ｙ軸接続部８ａ，８ｂは、Ｙ軸方向に隣接する熱電変換素子２のＸ軸方向側の端部で第１電極３と第２電極４とが接続されている。即ち、Ｙ軸方向から見て、隣接する熱電変換素子２のＹ軸方向の間には、接続部７，８ａ，８ｂが位置していない。

従って、接続部が存在しない熱電変換素子２のＹ軸方向の間の間隔Ｗｙを、接続部７，８ａ，８ｂが配置される熱電変換素子２のＸ軸方向の間の間隔Ｗｘと比較して、小さく設定することができる。

これにより、本実施形態の熱電変換モジュール１は、単位面積当たりの熱電変換素子２の密度を向上させることができ単位面積当たりの出力を向上させることができる。

なお、単位面積当たりの熱電変換素子２の密度が低下するものの、Ｙ軸接続部をＸ軸接続部７と同様に構成してもよく、これによっても本発明の熱電変換モジュールの剛性低下を抑制できるという効果を得ることができる。

また、本実施形態の熱電変換モジュール１によれば、比較的熱膨張し易い高温側に配置される高温側基部５は、第１電極３を介して熱電変換素子２ごとに１個ずつ設けられるため、熱電変換モジュール１の熱膨張への耐性を更に向上できる。また、比較的熱膨張し難い低温側に配置される各低温側基部６には、複数（６個）の熱電変換素子が第２電極４を介して夫々配置されるため、低温側基部を熱電変換素子ごとに１個ずつ設けた場合と比較して、本実施形態の熱電変換モジュール１の剛性を高めることができる。

なお、熱電変換素子２の数や配置、低温側基部６の数や配置は、本願発明の効果を奏する限りにおいて適宜変更可能である。

また、本実施形態の熱電変換素子２は、図２に四角柱状のものを示したが、これに限らず、他の形状、例えば、円柱状としてもよい。

また、本実施形態においては、熱電変換素子２をＭｇ_２Ｓｉで作製しているが、これに限られない。例えば、Ｓｂ−Ｔｅ系およびＢｉ−Ｓｅ系を含めたＢｉ−Ｔｅ系、Ｓｎ−Ｔｅ系およびＧｅ−Ｔｅ系を含めたＰｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｚｎ−Ｓｂ系、カルコゲナイト、スクッテルダイト、フィルドスクッテルダイト、クラスレート、ハーフホイスラー、ホイスラー、炭化ホウ素、層状コバルト酸化物等の任意の熱電変換材料を用いることができる。

また、本実施形態においては、熱電変換素子２としてｎ形のものだけを用いたものを説明したが、これに限らず、ｐ形の熱電変換素子だけを用いてもよい。この場合、電流の流れの向きが逆になる。また、Ｍｇ_２Ｓｉは、高純度である必要はなく、例えば、研削・研磨加工時に排出される廃シリコーンスラッジを利用して得られるものであってもよい。

また、熱電変換素子２の両端部に、電極との接触抵抗を低減させるべく、接合層を設けてもよい。接合層は熱電変換素子と一体的に形成することもできる。また、接合層及び電極は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ等、および、これらからなる合金等の任意の材料を用いることができる。

また、本実施形態においては、ゼーベック効果を用いた発電用の熱電変換モジュール１を説明したが、本発明の熱電変換モジュールは、ペルチェ効果を用いて冷却又は加熱するものにも同様に用いることができる。

また、本実施形態においては、図１に示す熱電変換モジュール１の上方側を熱源に接触させる高温側、下方側を放熱（冷却）させる低温側としたものを説明した。しかしながら、本発明の熱電変換モジュールの使用方法はこれに限らず、例えば、図１において、下方側を高温側とし、上方側を低温側に設定してもよい。

また、第１端子９及び第２端子１０の位置は、基部間接続部が省略されない限りにおいて、適宜変更可能である。この場合、第３６熱電変換素子Ｔ３６の上端に電気的に接続される第１電極３は、Ｙ軸接続部８ａを介してＹ軸方向に隣接する熱電変換素子２である第１熱電変換素子Ｔ１の下端に電気的に接続される第２電極４と接続させればよい。

また、本実施形態においては、全ての熱電変換素子が直列に接続された熱電変換モジュールを示して説明したが、本発明の熱電変換モジュールは、これに限らず、基部間接続部が交差していればその効果を発揮するものであり、例えば、熱電変換素子の全部又は一部が並列に接続されていてもよい。

また、図８及び図９に示す他の実施形態のように、ｎ形の熱電変換素子２と、p形の熱電変換素子２の両方を用いて熱電変換モジュール１を構成することもできる。なお、図８及び図９において、破線は第１電極３を示し、一点鎖線は第２電極４を示し、ｎはｎ形の熱電変換素子２を示し、ｐはｐ形の熱電変換素子２を示す。

また、図８及び図９において、第１電極３又は第２電極４をＸ軸方向に接続する場合において、上方に位置する第１電極３を熱電変換素子２の図面左側に配置して示し、下方に位置する第２電極４を熱電変換素子２の図面右側に配置して示している。また、図８及び図９において、第１電極３又は第２電極４をＹ軸方向に接続する場合において、上方に位置する第１電極３を熱電変換素子２の図面上側に配置して示し、下方に位置する第２電極４を熱電変換素子２の図面下側に配置して示している。

図８に示す他の実施形態の熱電変換モジュール１では、隣接する低温側基部６の間の同一の辺に配置される基部間接続部は、同一方向の第１電極３から第２電極４を接続している。しかしながら、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における隣接する低温側基部６の辺の間に配置された基部間接続部と比較すると、両者は、交差するように第１電極３と第２電極４とが接続されている。これにより、図８の他の実施形態の熱電変換モジュール１は、全ての基部間接続部が同一方向に第１電極３から第２電極４を接続する場合と比較して、剛性を向上させることができる。

また、図９に示す他の実施形態のように、ｎ形の熱電変換素子２と、p形の熱電変換素子２の両方を用いた熱電変換モジュール１であって、隣接する低温側基部６の間の同一の辺に配置される基部間接続部同士の一方を、一方の第１電極３から他方の第２電極４に接続し、基部間接続部同士の他方を、他方の第１電極３から一方の第２電極４に接続してもよい。これによっても、熱電変換モジュール１の剛性を向上させることができる。

１ 熱電変換モジュール
２ 熱電変換素子
３ 第１電極
４ 第２電極
５ 高温側基部
６ 低温側基部
７ Ｘ軸接続部
８ａ Ｙ軸接続部
８ｂ Ｙ軸接続部
９ 第１端子
１０ 第２端子
Ｔ１〜Ｔ３６ 第１〜第３６熱電変換素子

Claims (5)

1. 複数の基部と、
   複数の第１電極と、
   一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、
   該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極と、
   前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第１電極を、隣接する前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第２電極に、電気的に接続する接続部とを備える熱電変換モジュールであって、
   前記第１電極または前記第２電極は、前記基部に夫々複数個ずつ配置され、
   隣接する前記基部の間には、前記接続部が複数配置され、
   隣接する前記基部の間に位置する接続部を基部間接続部と定義して、
   前記基部間接続部は、隣接する前記基部の間に複数設けられ、
   複数の前記基部間接続部のうち何れか１つは、一方の基部上に位置する一方の前記第１電極から他方の基部上に位置する他方の前記第２電極に接続されるものであり、何れか１つは他方の基部上に位置する他方の前記第１電極から一方の基部上に位置する一方の前記第２電極に接続されるものであることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記基部は、複数の辺を備え、
   前記基部には、前記複数の辺の少なくとも２以上の辺で隣接する基部が配置され、
   前記基部は、複数の辺のうちの２つ以上の辺で前記基部間接続部により複数個所で夫々接続されることを特徴とする熱電変換モジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記基部に沿うと共に互いに直交する２つの軸線をＸ軸及びＹ軸として、
   前記接続部は、Ｘ軸方向で隣接する前記熱電変換素子の一方に電気的に接続する前記第１電極とＸ軸方向で隣接する前記熱電変換素子の他方に電気的に接続する前記第２電極とをＸ軸方向間で接続するＸ軸接続部と、Ｙ軸方向で隣接する前記熱電変換素子の一方に電気的に接続する前記第１電極とＹ軸方向で隣接する前記熱電変換素子の他方に電気的に接続する前記第２電極とをＹ軸方向間で接続するＹ軸接続部とを備え、
   前記Ｘ軸接続部は、Ｘ軸方向に隣接する前記熱電変換素子の間に配置され、
   前記Ｙ軸接続部は、Ｙ軸方向に隣接する前記熱電変換素子のＸ軸方向側の端部で前記第１電極と前記第２電極とが接続されることを特徴とする熱電変換モジュール。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記基部は、低温側に配置される低温側基部であり、
   高温側には、前記熱電変換素子ごとに１個ずつ高温側基部が設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。
5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記複数の熱電変換素子は、ｎ形とp形との何れか一方で構成され、
   前記複数の熱電変換素子が電気的に直列に接続されることを特徴とする熱電変換モジュール。